[发明专利]一种螺栓接触面域及面压分布测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种螺栓接触面域及面压分布测量装置及方法，能够在尽可能不破坏结合面实际接触状态的基础上，获取更高精度的螺栓接触面域、面压分布以及更为准确的被连接件刚度。测量时包括如下步骤：拧紧试验螺栓施加预紧力并逐渐加大，所述法兰和下连接件结合面的接触表面层中的L1、L2层、M1、M2层和N1、N2层逐层开始产生变形，所述光纤位移传感器和电涡流位移传感器分别读取接触表面层的变形量并记录，获取面压分布；所述光纤位移传感器检测到的输出信号为零的位置处即为接触面域的边界处，完成螺栓接触面域测量。

技术领域

本发明涉及螺栓连接测量技术领域，具体为一种螺栓接触面域及面压分布测量装置及方法。

背景技术

螺栓连接是机床与其它复杂机械中应用最广的一种连接方式，航空发动机、燃气轮机、高档数控机床等机械中，连接螺栓的数量庞大，很多连接位置都关系到整机安全性和可靠性。螺栓连接接触面域的分布及真实接触压力大小和分布对整体结构的密封性、安全可靠性等性能有很大影响。

在螺栓接触领域目前仍然引用较广泛的理论是应用上世纪七十年代日本学者Ito等的实验数据建立的压力锥模型，但由于压力锥模型基于压力锥内每一层的压应力都是均匀分布的假设，实际压力分布与该假设有着很大的区别；且Ito在上世纪应用采用超声波测量，超声波光斑直径20mm，测量仪器精度低，不能准确的得到峰值，所以有一定的误差。除此之外，学者们关于机械结合面进行的各种静、动态仿真及分析中，对结合面所受载荷的分布均假设为均匀分布；但在实际工程中，在预紧载荷的作用下，螺栓结合面压力呈现极不均匀的分布规律。为了更准确和更高精度的获得螺栓接触面域及实际的面压分布，近年来学者们想用更先进的传感器及测量技术测量结合面间的变形来获得更精确得接触面域及面压分布。

当前常用的几种高精度位移传感器存在以下问题：

由于螺栓结合面间的缝隙太小，激光红外传感器无法形成反射，不能测量；

采用在结合面间加入压力薄膜测量，虽然能较准确的获得接触面域，但由于压力薄膜安装在结合面之间，改变了结合部的实际结合状态和压力分布，对结合面实际接触情况影响较大，破坏了结合面接触的真实状态；

采用电涡流位移传感器测量，由于传感器的结构尺寸问题，传感器安装位置获取的测量值不但包括结合面变形还包含法兰的变形，无法获取准确的被连接件的刚度。

此外，螺栓连接在预紧和承受轴向外载荷后，螺栓和被连接件发生变形，螺栓刚度和被连接件的刚度的计算通常不考虑结合面的影响，均按常数给出，但是实际情况下，因结合面变形导致螺栓刚度和被连接件的刚度较为复杂，不能直接简单看作常数处理，而目前被连接件的刚度尚未有简明准确的计算方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种螺栓接触面域及面压分布测量装置及方法，能够在尽可能不破坏结合面实际接触状态的基础上，获取更高精度的螺栓接触面域、面压分布以及更为准确的被连接件刚度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种螺栓接触面域及面压分布测量装置，包括试验螺栓、法兰以及下连接件；

其中，所述法兰上开设有通孔，所述法兰的结合面通过所述试验螺栓穿过通孔与所述下连接件连接，所述法兰的结合面上周向布置有多个电涡流位移传感器，所述下连接件的结合面不同直径位置处分别布置有光纤位移传感器。

优选地，所述试验螺栓与法兰之间设置有压力传感器。

优选地，所述法兰的非结合面上布置有拉压力传感器。

优选地，所述拉压力传感器共设置两个，两个拉压力传感器以所述试验螺栓中心为准对称布置。

优选地，所述光纤位移传感器设置在所述下连接件与所述法兰的接触区域内。